王鵬，熊志鵬，丁躍強，徐文鵬，張子鍵 （馬鞍山學院建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

近年來公路、鐵路等工程形成了大量路塹邊坡，由于地質等因素引起的滑坡等現(xiàn)象導致了嚴重損失，邊坡穩(wěn)定已成為影響邊坡施工進度、安全的重大問題之一[1-2]。國內學者對邊坡穩(wěn)定性分析包括極限平衡法、強度折減法等，取得了豐富的研究成果[3-4]。對邊坡的加固方式有擋土墻、錨桿等，采用錨桿支護是邊坡工程中常用的加固方式[5-6]。閆云明等[7]基于ANSYS 軟件研究強度折減法在邊坡中的應用。唐湖北等[8]基于GEO-SLOPE 軟件，利用極限平衡法研究錨固角、錨桿長度及布設形式對安全系數(shù)的影響，總結出在邊坡中下部埋設錨桿安全系數(shù)最大。陳國慶等[9]研究得出利用動態(tài)和整體強度折減法更利于邊坡穩(wěn)定性的判斷及支護措施建議，動態(tài)強度折減法更適合于非均質邊坡穩(wěn)定性評價。張期樹等[10]對錨桿布設優(yōu)化設計，研究長中短型、中長短型、短長中型組合形式對安全系數(shù)的影響，并得出存在“組合-群錨效應”，優(yōu)選出最合理的布置形式。本文以某地鐵車輛段路塹邊坡工程為研究背景，通過FLAC3D 軟件建立模型并利用強度折減法進行數(shù)值模擬，研究錨桿長度、豎向和水平間距、水平面傾角及錨桿位置對安全系數(shù)的影響，優(yōu)選出最合理的錨桿布置方式。

1 工程實例

獅山車輛段位于佛山市地鐵3 號線北部，獅山工業(yè)大道東側、博愛東路北側地塊，南跨科韻北路、科寶北路。選址地塊現(xiàn)狀為工業(yè)廠房，遠期停車能力282輛/47 列，占地面積約33.9 hm2，地面標高18.6～27.5 m，場坪設計標高為19.7m，包含綜合樓、運用庫、檢修庫等建筑物，檢修庫南側邊坡為重力式擋土墻支護，采用放坡開挖。坡腳距檢修庫為19.5 m，邊坡工程安全等級為一級。

邊坡坡頂至坡底主要為填土＜1-1＞，高度約為6m。由坡底向下依次為粉質黏土＜5N-2＞，厚度約5 m；全風化碎屑巖＜6＞，厚度約3 m；強風化泥質粉砂巖、粉砂巖＜7-2＞，厚度約24 m。

邊坡支擋結構為重力式擋土墻，施作重力式擋土墻前先進行土方開挖，放坡開挖后采取錨噴臨時支護邊坡，錨噴后即施作重力式擋土墻，待強度滿足要求后即在擋墻與坡面間回填符合要求的材料并壓實，邊坡土方開挖實際坡率為1:0.5～1:0.75。

2 數(shù)值模型及數(shù)值模擬

2.1 邊坡三維數(shù)值模型

邊坡垂直高度為6m，坡率為1:0.5，根據(jù)巖土層厚度，通過FLAC3D 軟件建立三維數(shù)值模型如圖1 所示，坡頂至模型右邊界15 m，坡腳至模型左邊界7 m，地基寬度為25 m，沿縱向長度為6 m。固定約束地基底面、地基和邊坡側面，坡頂面不約束，共劃分19152個網格單元、22273 個節(jié)點。采用莫爾庫倫彈塑性模型，錨桿選擇cable 單元，錨桿位置是通過兩個節(jié)點坐標定義，即從begin位置到end 位置連成直線，錨桿構件是彈塑性材料，兩點之間具有相同的橫截面及材料參數(shù)的直線段[6]。

圖1 邊坡三維數(shù)值模型

2.2 物理力學參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察成果，查詢巖土參數(shù)值表得出邊坡和地基的物理力學參數(shù)，如表1。

表1 物理力學參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結果

數(shù)值模擬云圖如圖2 所示，該邊坡安全系數(shù)為0.86＜1，不滿足規(guī)范和設計要求。坡面位移較大，塑性區(qū)貫通至坡頂，出現(xiàn)圓弧滑動面，邊坡不安全、穩(wěn)定性較差，需采取措施防止?jié)撛诨麦w在土體自重應力和外荷載作用下出現(xiàn)滑坡危險。

圖2 數(shù)值模擬云圖

3 錨桿支護優(yōu)化設計分析

3.1 錨桿豎向間距對安全系數(shù)影響

在邊坡埋設錨桿可以提高邊坡土體抗剪強度，阻止滑坡體位移，使錨固結構與土體形成復合體，提高邊坡土體的穩(wěn)定性。該工程邊坡臨時采用錨桿支護，待重力式擋土墻施作完成且強度滿足要求后回填土方，通過數(shù)值模擬對錨桿布置進行優(yōu)化設計，既保證邊坡臨時穩(wěn)定，又使成本最合理。錨桿物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 錨桿物理力學參數(shù)

為了研究錨桿豎向間距對邊坡影響，選取多組方案綜合分析，錨桿豎向間距分別為0.5 m、1 m、1.2 m、1.5 m、2 m、3 m，即錨桿等間距設置11 排、5 排、4 排、3 排、2 排、1 排，邊坡和地基土體的物理力學參數(shù)均保持不變。錨桿長度為4m，傾角為20 °，豎向間距分別為2 m、1.5 m、1 m 時數(shù)值模擬云圖，如圖3 所示。通過origin 擬合出安全系數(shù)與錨桿豎向間距的關系曲線如圖4所示。

圖3 錨桿豎向間距影響

圖4 安全系數(shù)與錨桿垂直間距關系

由圖3、圖4 分析可知，安全系數(shù)隨錨桿豎向間距減小而增大，潛在滑坡體面積逐漸減小，錨桿穿過滑坡體深入土體。錨桿傾角20°，布置11 排、5 排、4排、3 排安全系數(shù)分別為1.89、1.68、1.58、1.41。布置11 排錨桿邊坡穩(wěn)定性更好，但成本更高。布置3 排錨桿安全系數(shù)略大于1.35，由于模擬并未完全考慮實際因素對邊坡的影響，如連續(xù)降雨影響，因此不考慮此種布置。通過比選選擇布置4排或5排錨桿，即豎向間距為1～1.2 m，安全系數(shù)隨錨桿豎向間距的增加近似呈三次函數(shù)關系下降。

對數(shù)據(jù)平均值擬合得出安全系數(shù)與錨桿豎向間距之間的三次函數(shù)關系式如式（1）所示。

式中：Fs為安全系數(shù)；H為錨桿豎向間距，單位是m；回歸系數(shù)R2=99.34%。

3.2 錨桿水平間距對安全系數(shù)影響

選擇在坡面等分位置布置5 排錨桿，錨桿長度為4m，傾角為15°和20°，水平間距分別為0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m、5m、6m，其余參數(shù)均保持不變。傾角20°，水平間距為1m、3m、6m 時，模擬云圖如圖5 所示。通過origin 擬合出安全系數(shù)與錨桿水平間距的關系曲線如圖6 所示。

圖5 桿水平間距影響Q

圖6 全系數(shù)與錨桿水平間距關系

由圖5、圖6 分析可知，當錨桿長度為4 m、傾角為15 °和20 °時，邊坡安全系數(shù)隨錨桿水平間距的增加近似呈拋物線下降，下降速度逐漸減??；當錨桿水平間距小于2.5 m 時，邊坡安全系數(shù)大于1.35。該工程地處南方，夏秋季節(jié)降雨較多，為防止雨水沖刷帶來的潛在危害，應提高邊坡的安全系數(shù)，為了保證邊坡的穩(wěn)定安全，同時又使支護成本降低，因此錨桿水平間距選取1～1.5 m 比較合適。

根據(jù)錨桿受力值可知，在邊坡中下部的錨桿受力較大，靠近坡頂處的錨桿受力最小，且單根錨桿的中間部位受力最大，向兩端逐漸減??；中下部錨桿的位移最大，靠近坡頂?shù)腻^桿位移最小。

對數(shù)據(jù)平均值擬合得出安全系數(shù)與錨桿水平間距之間的關系式如式（2）所示。

式中：Fs 為安全系數(shù)；L 為錨桿水平間距，單位是m；回歸系數(shù)R2=99.59%。

3.3 錨桿長度和傾角對安全系數(shù)影響

坡面等分布置5排錨桿，水平間距為1 m，長度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m，錨桿與水平面夾角分別為0 °、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°，進行72次模擬。安全系數(shù)與錨桿長度及傾角關系如圖7所示。

圖7 安全系數(shù)與錨桿長度及傾角關系

由圖7 分析可知，當錨桿長度保持不變時，邊坡安全系數(shù)隨錨桿傾角的增加先增加后近似拋物線減小，不同長度的錨桿最優(yōu)錨固角度也不同，最優(yōu)錨固角度隨錨桿長度的增加逐漸減小，最優(yōu)錨固角度范圍為5～25°。

當錨桿傾角小于25 °時，安全系數(shù)隨錨桿長度增加先增加后減小，存在最優(yōu)錨固長度，不同傾角的最優(yōu)錨固長度也不同；當傾角大于25 °時，隨錨桿長度增加逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；當傾角為10～20 °時，安全系數(shù)相對較高，邊坡穩(wěn)定性較好。

為了保證邊坡的穩(wěn)定、安全，可選擇錨桿長度為4 m、傾角為15～20 °的布置方式。

3.4 錨桿位置對安全系數(shù)影響

為研究單排錨桿位置對邊坡安全系數(shù)的影響，分別在邊坡11個等分位置設立單排錨桿，第一次只在邊坡布置第1排錨桿，第二次只布置第2排錨桿，以此類推，研究邊坡單排錨桿位置對邊坡安全系數(shù)的影響。通過origin擬合出單排錨桿安全系數(shù)與錨桿位置關系如圖8所示。

圖8 安全系數(shù)與錨桿位置關系

由圖8 分析可知，當錨桿長度保持不變且單排錨桿位置由坡頂向坡腳移動時，邊坡安全系數(shù)先增加后減小，近似呈馬鞍形曲線變化。單排錨桿布置在第8排（距坡底垂直距離2 m）位置時安全系數(shù)最大，對提高邊坡穩(wěn)定性和安全性效果最好。

邊坡中下部的安全系數(shù)較高，這與圖7 中錨桿受力規(guī)律基本一致，即中下部錨桿受力較大，在邊坡上部和坡底處錨桿受力較小，因此在邊坡中下部布置錨桿有利于提升邊坡穩(wěn)定性和安全性。

綜上所述，對比分析并優(yōu)選出最合理的錨桿布置方式，可在坡面布置4 排（邊坡土質均勻且良好）或5 排錨桿（邊坡有雜填土等非均質），長度為4 m，傾角為15～20 °，水平間距為1～1.5 m。既保證了邊坡的穩(wěn)定安全，又控制了施工成本。現(xiàn)場實際施工過程中，在坡面不同位置布置了監(jiān)測點，實測數(shù)據(jù)表明重力式擋土墻施工及夯實墻后填土期間邊坡位移較小，未出現(xiàn)滑坡等險情。重力式擋土墻、錨桿支護、墻后填土共同保證了該邊坡的長久穩(wěn)定。

4 結語

①在邊坡坡面布設錨桿可有效增加邊坡安全系數(shù)，提升邊坡的穩(wěn)定性和安全性。

②安全系數(shù)隨錨桿垂直和水平間距的增加分別近似呈三次函數(shù)和拋物線關系下降，下降速度逐漸減小，合理的垂直和水平間距分別為1～1.2 m、1～1.5 m。

③錨桿長度保持不變時，安全系數(shù)隨傾角的增加先增加后近似呈拋物線減小，不同長度的錨桿最優(yōu)錨固角度不同，隨錨桿長度的增加逐漸減小。

④當錨桿傾角小于25 °時，安全系數(shù)隨錨桿長度的增加先增加后減小，存在最優(yōu)錨固長度，不同傾角的最優(yōu)錨固長度也不同；當傾角大于25 °時，隨錨桿長度的增加逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

⑤單排錨桿布置時，安全系數(shù)由坡面向坡腳先增加后減小，邊坡中下部錨桿更有利于提升邊坡穩(wěn)定性和安全性，單根錨桿中下部受力最大，向兩側逐漸減小，坡頂錨桿位移最大。